一种蔗糖/PVA/Ag-MXene水凝胶及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种蔗糖/PVA/Ag

【技术实现步骤摘要】
一种蔗糖/PVA/Ag
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MXene水凝胶及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及柔性可穿戴导电材料
，具体涉及一种蔗糖/PVA/Ag
‑
MXene水凝胶及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]近年来，随着人工智能的飞速发展，柔性可穿戴设备作为新一代电子应用的代表已在电子科技、个性化健康监控和人机交互等方面中引起了广泛的研究和关注。其可以将不同的外部刺激(例如压力、温度和湿度信号)转换为可检测的电信号，在健康监测系统具有潜在的应用前景。
[0003]柔性可穿戴设备需要面对的关键挑战之一是缺乏兼具导电、高度柔性和可拉伸的材料。由于柔性金属、聚合物薄膜以及弹性体本身固有刚性大、拉伸性差和疲劳寿命短等缺点，表现出有限的可拉伸性和较差的抗疲劳性，这给它们作为可穿戴设备的实际应用带来了极大的挑战。随着人们对水凝胶材料的深入研究，导电水凝胶材料在可穿戴传感器、柔性医用电极、电子皮肤和个性化医疗等热门研究领域受到了广泛的研究和应用。
[0004]PVA基水凝胶通常表现出较差的机械性能，很难同时具有高强度和高效的自愈合性能。MXene是一种新型二维金属基碳化物，其具有高比表面积、优异的机械强度、良好的导电性、表面丰富的含氧官能团和优异的亲水性，使MXenes在水凝胶中与聚合物网络产生强烈的相互作用，形成稳定的导电路径。然而MXene纳米片含有大量氢键，在水溶液中非常容易发生自聚集，难以组装成均匀的纯水凝胶。因此，如何高效制备同时具有高机械强度和优异自修复性能的水导电凝胶材料是水凝胶传感器用作人体运动监测研究中亟待解决的难题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷中的至少一种而提供一种具有优异的导电性和力学性能的蔗糖/PVA/Ag
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MXene水凝胶及其制备方法和应用。这种具有自修复导电水凝胶传感器有高灵敏度和宽应变检测范围，在应变式压力传感器等方面有着广泛应用。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007]本专利技术目的之一在于一种蔗糖/PVA/Ag
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MXene水凝胶，该水凝胶具有自修复能力的硼酸酯键；按质量百分比，所述水凝胶的原材料包括1
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5％AgNO3、1
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5％MXene、60
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80％蔗糖、5
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20％PVA和1
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5％硼砂。
[0008]具体来说，该水凝胶以PVA基底，并PVA基底上构建硼酸酯键这一动态化学键，Ag
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MXene结构是由MXene与AgNO3复合而成。硼酸酯键这一动态化学键提供30s内的自修复能力，此外，添加MXene和蔗糖增加了水凝胶的导电性、机械性能和灵敏性，该水凝胶应变194％下应力达到173kPa、GF最高可达2.05，使之耐久性和可观的灵敏度能够应用于人体运动监测传感器。
[0009]本专利技术目的之二在于一种蔗糖/PVA/Ag
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MXene水凝胶的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
[0010]将MXene溶液与AgNO3溶液超声混合均匀，充分反应后，得到Ag
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MXene复合物溶液；
[0011]将Ag
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MXene复合物溶液、蔗糖溶液和硼砂溶液依次加入到PVA溶液中，超声混合均匀后，水浴加热，得到蔗糖/PVA/Ag
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MXene水凝胶。
[0012]进一步地，所述的MXene溶液的浓度为4～10mg/mL，优选5～7mg/mL，所述的AgNO3溶液的浓度为2～8mg/mL，优选4～7mg/mL，MXene占Ag
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MXene复合物溶液中溶质总质量的60～80％，优选65～75％。
[0013]进一步地，所述的MXene溶液为Ti3AlC
2 MXene悬浊液。MXene是一种二维金属基碳化物材料，具有优异的理化性能。但是，单纯的MXene水凝胶在环境中不稳定。通过在MXene溶液与AgNO3溶液来合成由层状MXene和纳米银颗粒组成的Ag
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MXene复合材料，将金属纳米粒子引入MXene层状体结构中，不仅可以抑制纳米离子的聚集同时还可以提高电子转移效率来提高水凝胶的导电性。
[0014]进一步地，所述的PVA溶液的浓度为0.1～0.25g/mL，所述的蔗糖溶液的浓度为1.5～3g/mL，所述的硼砂溶液的浓度为5～10mg/mL。PVA的
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OH和硼酸的
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OH之间的相互作用形成可逆的动态硼酸键，从而赋予水凝胶良好自愈能力和柔韧性，当水凝胶受到机械损伤时，水凝胶的结构和电化学性能可以很快恢复，这使其可应用于可穿戴压力传感器、可穿戴应变传感器和人体健康监测等领域。蔗糖是一种市面上常见的一种环保材料，其内部含有多个活性基团(
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OH等)，PVA和蔗糖之间可以形成可逆氢键，使蔗糖/PVA/Ag
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MXene水凝胶具有优异的力学性能。
[0015]进一步地，所述的PVA溶液的浓度为0.15～0.25g/mL，所述的蔗糖溶液的浓度为1.5～2.5g/mL，所述的硼砂溶液的浓度为7～9mg/mL。
[0016]进一步地，蔗糖质量占蔗糖与PVA总质量的80％。
[0017]进一步地，硼砂质量占硼砂与PVA总质量的4％。
[0018]本专利技术目的之三在于一种如上所述的蔗糖/PVA/Ag
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MXene水凝胶的应用，该水凝胶应用于应变式压力传感器。
[0019]当该具有自修复导电水凝胶用作传感器时，引出铜线作为输出端，基于人体皮肤表面粘附水凝胶的关节部位的变化情况或者是压力上的变化对其内部的拉伸和压缩产生不同的电阻值的变化，从而实现传感响应。具体来说，当蔗糖/PVA/Ag
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MXene水凝胶用于医疗健康领域中的人体运动监测时，根据人体不同关节部位的弯曲变化幅度不同而产生不同的电阻信号响应来区分运动方式，运动幅度越大，蔗糖/PVA/Ag
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MXene水凝胶内部网络结构压缩程度越大，蔗糖/PVA/Ag
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MXene水凝胶电阻变化率越大；以及通过人体连续运动的幅度变化产生的水凝胶电阻变化信号，来监测运动频率。
[0020]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0021](1)本专利技术制备的一种蔗糖/PVA/Ag
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MXene水凝胶具有良好的导电性和显著的机械性能；
[0022](2)本专利技术制备的一种蔗糖/PVA/Ag
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MXene水凝胶在环境条件下可自愈并贴合皮肤随意改变形状；
[0023](3)本专利技术制备的一种蔗糖/PVA/Ag
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MXene水凝胶对各种材料都有粘附能力；
[0024](4)本专利技术的成本低廉、制备简单、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种蔗糖/PVA/Ag
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MXene水凝胶，其特征在于，该水凝胶具有自修复能力的硼酸酯键；按质量百分比，所述水凝胶的原材料包括1
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5％AgNO3、1
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5％MXene、60
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80％蔗糖、5
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20％PVA和1
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5％硼砂。2.一种如权利要求1所述的蔗糖/PVA/Ag
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MXene水凝胶的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：将AgNO3溶液与AgNO3溶液混合均匀，充分反应后，得到Ag
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MXene复合物溶液；将Ag
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MXene复合物溶液、蔗糖溶液和硼砂溶液依次加入到PVA溶液中，混合均匀后，水浴加热，得到蔗糖/PVA/Ag
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MXene水凝胶。3.根据权利要求2所述的一种蔗糖/PVA/Ag
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MXene水凝胶的制备方法，其特征在于，所述的MXene溶液的浓度为4～10mg/mL，所述的AgNO3溶液的浓度为2～8mg/mL，MXene占Ag
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MXene复合物溶液中溶质总质量的60～80％。4.根据权利要求3所述的一种蔗糖/PVA/Ag
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MXene水凝胶的制备方法，其特征在于，所述的MXene溶液的浓度为5～7mg/...

【专利技术属性】
技术研发人员：张艳，李辰星，周浃燚，李玲，黄文蔚，韩静萱，
申请(专利权)人：上海工程技术大学，
类型：发明
国别省市：